5流动损失管道计算课件

第五章流动损失和管道计算流动损失产生的原因、方式、大小研究流动损失目的和意义流动损失及管路计算4.1流动状态和流动损失分类1、层流和紊流现象2、损失分析1）实验2）机理分析层流紊流层流损失：分子间吸引力和分子不规则运动的动量交换，称为粘性应力或层流应力。紊流损失：出上述阻力还包括大量小旋涡迁移、脉动动量交换产生的阻力，称为紊流应力。3、雷诺数Re流动状态不仅取决于速度，而是由管道尺寸、流体物性、速度共同决定，即：利用雷诺数可以判别流动状态：Re＜Recr层流Re＞Recr′

紊流Recr＜

Re＜Recr′

可能层流也可能紊流Recr′＝13800

Recr＝2320Re＝2000物理意义：单位时间单位面积动量，惯性力速度梯度，粘性力Recr：紊流转变为层流对应的雷诺数Recr′：层流转变为紊流对应的雷诺数【例6-3】管道直径d=100mm，输送水的流量q=0.01m3/s，水的运动黏度v=10-6m2/s，求水在管中的流动状态？若输送v=1.14×10-4m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？【解】故水在管道中是紊流状态故油在管中是层流状态（1）（2）4.2流体在圆管中的层流流动入口段流动壁面滞止x=00＜x＜L边界层增长x=L边界层充满管腔x＞L充分发展段2、入口段长度层流入口段L=(60~138)d(Re=1000~2300)湍流入口段L=(20~40)d(Re=104~106)一、圆管截面速度分布3.速度分布由定常流动，控制体外力平衡取图示同轴圆柱形控制体，侧面切应力为τ,端面上取平均压强p取半径为r，长度为l的流段p2p1L由牛顿内摩擦定律在轴线上(r=0),速度为最大值由壁面不滑移条件，r=r0,v=0可得圆管定常层流的速度分布式：r00yx0drr二、沿程损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以hf

表示l—管道长度，m；d—管道内径，m；V—管道中有效截面上的平均流速，m/s称为达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式。切应力分布在管壁处代入沿程损失切应力速度或摩察速度例d=100mm,L=16km,油在油管中流动,油=915kg/m3,=1.8610-4m2/s,求每小时通过50t油所需要的功率例

输送润滑油的管子直径8mm，管长15m，如图所示。油的运动黏度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水头（不计局部损失）。

雷诺数为层流列截面1-1和2-2的伯努利方程认为油箱面积足够大，取例设有1000m水平钢管，直径150mm，两端压强分别为1×106Pa和3.5×104Pa，油在油管中流动,油=920kg/m3,=410-4m2/s,求通过管道流量由伯努力方程：假设为层流流动，则速度为：校核雷诺数：4.3

流体在圆管中湍流流动特性随机性掺混性涡旋性时均法体均法表达法输运特性湍流结构特性基本方程大尺度涡旋场小尺度随机运动雷诺方程包含雷诺应力一、紊流的脉动现象与时均化1、时均值将紊流速度转化成了平均速度2、紊流度反映紊流的随机性二、壁面紊流流动结构壁面紊流自由紊流壁面紊流粘性底层过渡层核心流1、水力光滑管2、水力粗糙管当时，则管壁的粗糙凸出的高度完全被层流底层所掩盖当时，即管壁的粗糙凸出部分突出到紊流区中三、普朗特混合长度理论目的：确定紊流应力大小关键：如何确定脉动速度混合长度l：微团y向脉动进入另一层流体经过不与其它流体相碰撞的距离假设1：假设2：（2）核心区三、紊流的速度分布（1）粘性底层由牛顿内摩擦定律:由摩擦速度定义式：紊流速度分布式：普朗特混合长度理论l为混合长度，设l=ky，并假设与壁面切应力近似相等即(3)过渡层粘性应力与紊流应力在数量级上相当（4）各区如何划分粘性底层过渡层交点y值即粘性底层厚度（5）工程应用Re41042.31041.11051.11062.01063.2106n

6.0

6.6

7.0

8.8

10.0

10.0四、紊流的沿程损失计算4.4圆管流动沿程损失实验研究水力光滑粗糙过渡区水力粗糙湍流雷诺数Re相对粗糙度ε/d绝对粗糙度ε粗糙度流态层流商用管人工管达西摩擦因子达西公式适用各种管道粘性底层δ尼古拉兹图等效粗糙度穆迪图圆管流动沿程损失lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV

(Ⅰ)层流区尼古拉兹实验lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅱ)流态过渡区(Ⅲ)紊流光滑区勃拉修斯公式卡门-尼古拉兹公式lg(100)d/61302521201014504lg(Re)0.40.30.60.50.80.71.00.21.10.92.83.23.03.63.44.03.84.44.24.84.65.25.05.65.46.05.8IIIIIIVIV(Ⅳ)紊流粗糙区(Ⅴ)紊流阻力平方区考尔布鲁克公式穆迪图紊流通用公式：完全粗糙区穆迪图湍流光滑区过渡区层流区粗糙过渡区普朗特—史里希廷公式布拉休斯公式罗斯线无规律冯·卡门公式等效粗糙度科尔布鲁克公式C3.6

圆管流动沿程损失C3.6

圆管流动沿程损失水泥0.3～3.0铆钉钢0.9～9.0

材料(新)ε(mm)

木板0.18～0.9铸铁0.26镀锌铁0.15沥青铸铁0.12商用钢和锻铁

0.046冷拔管0.0015

表C3.6.1商用管等效粗糙度【例6-1】输送石油的管道长5000m，直径250mm的旧无缝钢管，通过的质量流量100t/h，运动黏度在冬季=1.09×10－4m2/s，夏季=0.36×10-4m2/s，若取密度885kg/m3，试求沿程水头损失各为多少？【解】首先判别流动所处的区域需进一步判别夏季石油在管道中的流动状态处于紊流哪个区域，查表6-1得旧无缝钢管0.1959.6==99082>4444.4

即4000<<99082，流动处于紊流光滑管区。沿程水头损失冬季（m石油柱）由于夏季石油在管道中流动状态处于紊流光滑管区，故沿程阻力系数用勃拉休斯公式计算，即

夏季（m石油柱）输送空气（t=20℃）的旧钢管道，取管壁绝对粗糙度lmm，管道长400m，管径250mm，管道两端的静压强差为9806Pa，试求该管道通过的空气流量为多少?【解】因为是等直径的管道，管道两端的静压强差就等于在该管道中的沿程损失。

t=20℃的空气，密度1.2kg/m3，运动粘度管道的相对粗糙度，由莫迪图试取0.027故

(m/s)雷诺数根据和，由莫迪图查得0.027，正好与试取的值相符合。若两者不相符合，则应将查得的值代入上式，按上述步骤进行重复计算，直至最后由莫迪图查得的值与改进的值相符合为止。管道通过的空气流量为

(m3/s)4.5局部损失产生原因微团碰撞摩擦产生涡旋扩大收缩弯管速度重新分布阀门典型部件计算公式局部损失系数表局部损失二、局部损失的计算1－1和2—2的中心点的压强各为和，平均流速各为和，截面积各为和连续方程：动量方程：列出截面1-1和2-2的伯努利方程C3.7

局部损失入口与出口(1)三种管入口(2)管出口（K=1）扩大与缩小(1)突然扩大(2)突然缩小(3)渐扩管时,K为极小值。C3.7

局部损失弯管和折管(1)弯管(2)折管安装导流片后，ζ减小80%

。阀门关闭时,ζ→∞全开时,ζ

值为闸阀<蝶阀<球阀。

图为曲线。ζ随θ增加而增大。弯管中发生二次流和分离区4.6管路计算1、管道水力计算主要任务(1)给定的流量和允许的压强损失确定管道直径；(2)给定的管道直径、管道布置和流量来计算压强损失；(3)给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，计算流量。管道水力计算的基本公式：连续性方程、伯努利方程和能量损失公式等。常数

2管道系统分类

1）按能量损失大小长管：凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足5％的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统，称为短管。2）按管道系统结构串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所组成的管道系统，。

并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。分支管道管网3、串联管道常数[例C3.7.2]

管路损失计算：沿程损失+局部损失

已知:图示上下两个贮水池由直径d=10cm，长l=50m的铁管连接（ε=0.046mm）中间连有球形阀一个（全开时εv=5.7），90°弯管两个（每个Kb=0.64），为保证管中流量Q=0.04m3/s,求：两贮水池的水位差H（m）。管内平均速度为解：管内流动损失由两部分组成：局部损失和沿程损失。局部损失除阀门和弯头损失外，还有入口（ζin=0.5）和出口（ζout=1.0）损失沿程损失为[例C3.7.2]

管路损失计算：沿程损失+局部损失

λ由穆迪图确定。ν=10–6

m2/s查穆迪图可得